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1、电力系统分析 第6章无功功率平衡和电压调整,教材配套课件,6.1电力系统无功功率平衡和电压变化 6.1.1电压调整的必要性 6.1.2无功功率负荷和无功功率损耗 6.1.3无功功率电源 6.1.4无功功率平衡 6.2电力系统电压管理和调整 6.2.1中枢的电压管理 6.2.2电压调整的机泵原理 6.2.3 电压调整的基本方法和分析计算 6.2.4复杂电力系统电压和无功功率的控制,6.1 电力系统中无功功率平衡和电压变化,6.1.1 电压调整的必要性 电压是衡量电能质量的又一重要指标。它既是电力用户最为关注的目标，也是电力系统本身运行时要控制的重要目标。电力系统中的用电设备都是按照额定电压来设计
2、制造的，因此用电设备工作在额定电压下，各项性能指标发挥的最佳。然而实际上，由于负荷随时都在发生变化，从而网络中的电压也随之变化，这样就造成各节点电压在运行过程中总会有一定的偏移，如果电压偏移值比较小，仍能保证用户及电力系统的正常运行，而如果电压偏移值过大，会影响工农业生产产品的质量和产量，甚至引起系统性的“电压崩溃”，造成大面积停电。,1电压偏移对用电设备的影响 (1)电压偏移过大对电力系统本身以及用电设备会带来不良的影响，主要包括以下几点： 1）效率下降，经济性变差。 2）电压过高，照明设备寿命下降，影响绝缘。 3）电压过低，电机发热。 4）系统电压崩溃 (2)不能使所有节点电压都保持为额定
3、值,主要原因如下： 1）设备及线路压降 2）负荷波动 3)运行方式改变 4)无功不足 综上所述，要保证电力系统的正常运行，要满足全系统各节点的电压要求，必须对电压进行调整。电力系统的电压调整，即在正常运行状态下，随着负荷变动及运行方式的变化，使各节点的电压偏移值保持在允许范围内。,2用户允许的电压值偏移 （1）一般规定节点电压偏移不超过电力网额定电压的5%； （2)220kV用户为-10%+5%； (3)10kV及以下电压供电的用户7%； (4)35kV及以下电压供电用户010%； (5)事故状况下，允许在上述数值基础上再增加5%，但正偏移最大不能超过+10%。,6.1.2 无功功率负荷和无功
4、功率损耗,1无功功率负荷 电力系统中，异步电动机在系统负荷（特别是无功负荷）中占的比重很大。系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定。异步电动机的简化等值电路如图6-1所示。图6-1中，R1+jX1=Z1为电机定子漏阻抗，X2为转子漏电抗。,它所消耗的无功功率为,图6-1 异步电动机的等值电路,其中Qm为励磁功率，它同电压平方成正比，实际上，当电压较高时，由于饱和影响，励磁电抗Xm的数值还有所下降，因此，励磁功率Qm随电压变化的曲线稍高于Xm不变时表示的二次曲线； 为定子和转子的漏抗 中的无功损耗，如果负载功率不变，则PM=I2R2(1-s)/s为常数，当电压降低时，转差率s将要增大，定子电
5、流随之增大，相应地，漏抗中的无功损耗 也要增大。综合这两部分无功功率的变化特点，可绘出图6-2所示的异步电动机的无功功率-电压静态曲线。,图6.1 简单系统阻抗图,图中 为电动机的实际负荷同它的额定负荷之比，称为电动机的负载系数。,2电力系统中的无功功率损耗 （1）变压器的无功损耗 变压器的无功损耗QT包括励磁损耗Qm和漏抗中的损耗QZ。,式中S为负荷视在功率，SN为变压器额定容量，I0%为变压器空载电流百分值，一般取0.52，Uk%为短路电压百分值，一般取615。因此变压器的无功功率损耗相当大。,（2）输电线路的无功损耗 输电线路用 形等值电路表示，线路串联电抗中的无功功率损耗QL与所通过电
6、流的平方成正比，线路电容的充电功率QB与电压平方成正比。B/2为 型电路中的等值电纳。 线路的无功总损耗为：,35kV及以下的架空线路的充电功率甚小，因此中长线路都是消耗无功功率的。110kV及以上的架空线路当传输功率较大时，电抗中消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率，线路成为无功负载；当传输的功率较小（小于线路的电容充电功率）时，电纳中产生的无功功率，除了补偿电抗中的无功功率损耗以外，还有剩余，这时线路就成为无功电源。 此外，在长线路中为补偿线路的充电功率而在线路末端装设的并联电抗器也要消耗无功功率。,6.1.3 无功电源,发电机既是电力系统的唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率
7、电源。电力系统的无功电源除同步发电机外，还有同步调相机、静电电容器和静止补偿器等。其中同步调相机、静电电容器和静止补偿器又称为无功补偿装置。,1、同步发电机 同步发电机在额定状态下运行时，发电机的容量得到充分利用。发电机的额定功率通常是指额定的有功功率PGN，发电机的额定视在功率SGN及额定无功功率QGN可表示为,（6-4）,（6-5）,上式中PGN， 和分别为发电机的额定有功功率和额定功率因数角。,发电机输出的有功功率和无功功率可用6-3说明。图中b点代表发电机的额定运行点，此时发电机运行在额定状态，设备得到最充分利用。受原动机容量限制，发电机发出的有功功率不能超过额定值，因此发电机运行点必
8、须在ab直线以下。,可见，如果只考虑定子绕组电流限制，则在有功功率小于额定值的情况下，无功功率可以超过额定值。在极端情况下当有功功率为零时，发出的无功功率可以等于发电机的容量。既运行在图中c点。因此，从无功电源角度，其可以在一个相当宽的范围内调节。,图6-3发电机的运行极限图,如系统有功充裕，无功不足，可以降低功率因素，在图bd段运行。如无功功率过剩，还可以运行在第二象限，此时发电机处于欠励磁状态，发出有功功率但要吸收无功功率，称为进相运行。,图6-3发电机的运行极限图,（2）同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机（当然，同步电动机也可以作为调相机运行），它可以过励磁运行发出无功功率
9、，也可以欠励磁运行吸收无功功率。运行状态根据系统的要求调节。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，起无功负荷的作用。所以，借助自动调节励磁装置改变调相机的励磁就可以平滑地改变无功功率的大小和方向，从而调节所在地区的电压。调相机的容量是指其过励磁运行时的额定容量，欠励磁运行时的容量是过励磁运行时容量的50%65%。,同步调相机是旋转机械，运行维护不方便。调相机的投资费用与其容量有关，容量越小，投资费用越大，因此同步调相机适宜于大容量集中使用。此外调相机在运行中消耗一定的有功功率，在满负荷时约为额定容量的1.5%5%，调相机容量越小，
10、所占比重越大。,（3）静电电容器 并联电容器作为无功电源，按三角形和星形接法连接在变电所母线上运行。并联电容器只能向系统供给感性无功功率。使用时可将电容器连接于若干组，按需要成组地投入或切除，既可集中安装，又可分散使用。在靠近负荷处就地安装，以减少线路上的功率损耗和电压损耗，其单位容量的投资费用较小，运行时有功功率损耗也较小，约为额定容量的0.3%0.5%。但是，电容器供给的无功功率与所在节点的电压U的平方成正比，即,式中 ，为静电容容器的容抗。,（4）静止补偿器 静止补偿器是一种新型的动态无功功率补偿装置。所谓静止是指无旋转机械，所谓动态是指可以随运行状况的变化自动调节出力。它由电容器组与可
11、调电抗器组成，既可向系统供给感性无功功率，也可从系统吸取感性无功功率。 静止补偿器的全称为静止无功补偿器（SVC），有多种形式。有目前常用的饱和电抗器型（SR），有晶闸管相控电抗型（TCR），有晶闸管投切电容器型（TSC）和晶闸管控制电抗电抗器和电容器型（TCRC）。如图6-4所示。 以上各类补偿器均由电容器C和电抗器L组成。电容器发出无功，电抗器吸收无功。电容器CK和电感线圈LK组成滤波电路，滤去高次谐波，以免产生电压电流畸变。对晶闸管还有控制回路，控制导通角的大小。,图6-4静止无功补偿器 a)自饱和电抗器；b)晶闸管相控电抗器；c)晶闸管投切电容器；d）晶闸管控制电抗器和电容器,电压变化
12、时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率，对冲击负荷有较强的适应性，以满足动态无功补偿的需求。因它由静止元件组成，运行维护方便，并且有功损耗较小（低于1%），还能分相补偿，因此，静止补偿器在国外已被大量使用，在我国电力系统中也将得到广泛的应用。,6.1.4 无功功率平衡,电力系统无功功率平衡的基本要求是：系统中的电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长，系统还必须配置一定的无功备用容量。令QGC 为电源供应的无功功率之和，QLD为系统无功负荷之和，Q为网络无功功率损耗之和，Qres为系统无功功率备用，则系统中无功功率
13、的平衡关系式为:,系统无功电源的总出力包括系统所有发电机的无功功率和各种无功补偿设备的无功功率，即:,网络的总无功功率损耗Q包括变压器的无功损耗QT、线路电抗的无功损耗QL和线路电纳的无功功率QB（一般只计算110kV及以上电压线路的充电功率），即,从改善电压质量和降低网络功率损耗考虑，应该尽量避免通过电网元件大量地传送无功功率。因此，仅从全系统在额定电压水平上进行无功功率平衡是不够的，更重要的是还应该分地区分电压级地无功功率平衡。,电力系统的无功功率平衡应按最大无功大负荷的运行方式进行计算。必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡。既要保证系统总的无功平衡，又要考虑分层区
14、的无功平衡。,经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有： （1）要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。 （2）挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运行；运用原用户的同步电动机过励磁运行等。 根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量、分散的无功补偿可采用静电容电器；大容量的、配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器。,6.2 电力系统的电压管理和调整,6.2.1 中枢点电压管理 1电压中枢点的概念 电力系统结构复杂，发电厂和变电所及大型用户节点很多，电力系统调度部门不可能
15、监视和控制所有用户的电压。通常选择一些具有代表性的节点作为电压质量监视和控制点，称为电压中枢点。如果这些节点的电压符合要求，则其他节点的电压质量基本也能满足要求。因此，电压控制方法是选择合适的电压中枢点，确定中枢点电压允许偏移的范围；采用一定的方法将中枢点的电压偏移控制在允许范围内。电压中枢点一般选择在区域性发电厂的高压母线、有大量地方性负荷的发电厂母线及枢纽变电所的二次母线。,2中枢点的电压偏移 对中枢点电压进行监控和控制，必须首先确定中枢点电压的允许范围，这项工作就是中枢点电压曲线的编制。,图6-5 简单网络中枢点电压曲线,图6-5a所示为由中枢点o向两个负荷i、j供电的简单网络。负荷i、
16、j的简化日负荷曲线如图6-5b、c，线路oi、oj上的电压损耗如图6-5d、e。设两负荷允许的电压偏移都是5%,如图6-5f。,为了满足负荷点i的调压要求，中枢点o应维持的电压为 0-8时 8-24时,016：,1624：,为了满足负荷点i的调压要求，中枢点j应维持的电压为：,将上述要求画在一起，得到电压中枢点的容许范围，具体如图6-6所示。图中阴影部分即为同时满足a、b两负荷点调压要求的中枢点电压的允许变动范围。,将上述要求画在一起，得到电压中枢点的容许范围，具体如图6-6所示。图中阴影部分即为同时满足a、b两负荷点调压要求的中枢点电 压允许变动范围。,图6-6中枢点O电压允许变换范围,由图可见，虽然负荷i、j允许的电压偏移都是5%，即都有10%的允许变动范围，但由于中枢点o与这些负荷之间线路上电压损耗的大小和变化规律都不相同，要同时满足这两个负荷对电压质量的要求，中枢点电压的允许变动范围
